JP2018536487A - Method for calibrating an X-ray image - Google Patents
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Abstract
本発明は、X線源(4)により生み出されるX線(3)が、対象(2)を通って放射され、X線検出器(5)を用いて記録される、X線装置(1)により記録される、撮像される対象(2)の少なくとも一つの二次元X線画像(31)を較正する方法に関する。対象(2)の構造(6)の既に存在する三次元モデル(7)を、二次元X線画像(31)と比較し、対象(2)に相対するおよび/または互いに相対する、X線源(4)およびX線検出器(5)の実際の画像位置関係(15、17)を、二次元X線画像(31)に対して判定する。【選択図】図1The invention relates to an X-ray device (1) in which X-rays (3) produced by an X-ray source (4) are emitted through an object (2) and recorded using an X-ray detector (5). It relates to a method for calibrating at least one two-dimensional X-ray image (31) of an object (2) to be imaged recorded by. X-ray source relative to the object (2) and / or relative to each other by comparing the already existing three-dimensional model (7) of the structure (6) of the object (2) with the two-dimensional X-ray image (31) The actual image positional relationship (15, 17) of (4) and the X-ray detector (5) is determined with respect to the two-dimensional X-ray image (31). [Selection] Figure 1
Description
本発明は、撮像される対象の二次元X線画像を測定するX線装置を較正する方法に関し、X線源により生み出されるX線が、対象を通って放射され、X線検出器を用いて記録されるという点において、各二次元X線画像を記録し、二次元X線画像の中の対象の表示を、対象に相対するX線源およびX線検出器の実際の画像位置関係によって画定する。 The present invention relates to a method for calibrating an X-ray apparatus for measuring a two-dimensional X-ray image of an object to be imaged, wherein X-rays produced by an X-ray source are emitted through the object and using an X-ray detector. Each two-dimensional X-ray image is recorded in that it is recorded, and the display of the object in the two-dimensional X-ray image is defined by the actual image positional relationship of the X-ray source and X-ray detector relative to the object. To do.
X線CT装置またはDVTのX線装置など、三次元測定用のX線装置を較正するいくつかの方法が、最先端の技術により知られている。 Several methods for calibrating X-ray devices for three-dimensional measurement, such as X-ray CT devices or DVT X-ray devices, are known from the state of the art.
独国特許出願公開第102008035412号は、対象の少なくとも一つのサブエリアの歯の三次元X線画像をコンパイルする方法を開示し、ボリュームを、対象の周りを回る一軌道の間に、複数の投影画像からの三次元X線画像としてコンパイルする。X線画像をコンパイルする前に、対象の少なくとも一部が視覚表示として示され、装置および患者の現行位置に対する、視覚表示の相対位置を把握する。装置に相対する対象の位置決め、ならびに設定データおよび/または制御データの選択の関数である、撮像されるボリュームを、視覚表示の中で少なくともおおよそ正しい位置に重ね、視覚表示の中で撮像されるボリュームの位置および/またはサイズを変化させると、三次元X線画像生成用の設定データおよび/または制御データを判定する。撮像されるボリュームを、おおよその領域として概略的にのみ、視覚表示の中に重ねる。二つの画像の記録角度は異なり得る。視覚表示はまた、三次元X線画像など、既存三次元画像でもあり得る。位置的に正しく視覚表示の中に撮像されるボリュームを重ねるように、位置登録を実施し、視覚表示の中に撮像されるボリュームの位置を正しく表示するために、装置の患者に対する相対位置を、視覚表示の中の装置および患者の現行位置と比較する。 DE 102008035412 discloses a method for compiling a three-dimensional X-ray image of the teeth of at least one sub-area of a subject, with a plurality of projections during a trajectory around the subject. Compile as a 3D X-ray image from the image. Prior to compiling the X-ray image, at least a portion of the object is shown as a visual display to know the relative position of the visual display relative to the current position of the device and the patient. Volume that is imaged in the visual display by overlaying the imaged volume at least approximately the correct position in the visual display, which is a function of the positioning of the object relative to the device and the selection of setting data and / or control data When the position and / or size of the image is changed, setting data and / or control data for generating a three-dimensional X-ray image is determined. The imaged volume is overlaid in the visual display only roughly as an approximate area. The recording angles of the two images can be different. The visual display can also be an existing 3D image, such as a 3D X-ray image. Position registration is performed so that the volume to be imaged is correctly positioned in the visual display, and in order to correctly display the position of the imaged volume in the visual display, the relative position of the device to the patient is: Compare with the device in the visual display and the current position of the patient.
米国特許出願公開第2011/0255765号は、患者の歯のX線画像からアーチファクトを除去する、システムおよび方法を開示し、システムは、患者の歯の表面画像を生成する、表面スキャナを備える。表面画像の表面データ、およびCTスキャンのボリュームデータを、組み合わせたデータセットを生成するように、整合させ、互いに対して正しく位置付けて重ねる。歯の表面を超えて表面データの中に延在する、ボリュームデータのデータ点を特定して除去し、その結果として、金属部により生み出されるアーチファクトが除去される。 US Patent Application Publication No. 2011/0255765 discloses a system and method for removing artifacts from an x-ray image of a patient's teeth, the system comprising a surface scanner that generates a surface image of the patient's teeth. The surface data of the surface image and the volume data of the CT scan are aligned and properly positioned and superimposed on each other to produce a combined data set. The volume data data points that extend beyond the tooth surface into the surface data are identified and removed, resulting in the removal of artifacts created by the metal part.
一実施形態では、表面データの表面モデルを、CT投影データと同じ二次元形式で、順投影データを生成するように投影する。順投影データを、アーチファクトを特定するように、CT投影データと組み合わせる。互いに対する2セットの投影データを、手動で事前に位置決めする必要はない。 In one embodiment, the surface model of the surface data is projected in the same two-dimensional format as the CT projection data to produce forward projection data. Forward projection data is combined with CT projection data to identify artifacts. There is no need to manually pre-position the two sets of projection data relative to each other.
DVT法では、X線管および表面デジタル画像センサが、対象の周りを回転し、X線管の一部軌道上で、複数の二次元X線画像を異なる記録角度から生成する。続いて、再構成法を使用して、三次元X線画像を個々の二次元X線画像から再構成する。対象に相対するX線管およびX線検出器の、正しい撮像幾何または画像位置関係が、再構成法には重要である。通常、この画像位置関係を画定するのに、較正ファントムが使用される。X線装置がまだ工場にあるときに、このような較正測定が実施され、X線装置の初めての動作後は定期的に実施される。 In the DVT method, an X-ray tube and a surface digital image sensor rotate around an object and generate a plurality of two-dimensional X-ray images from different recording angles on a partial trajectory of the X-ray tube. Subsequently, a reconstruction method is used to reconstruct a 3D X-ray image from individual 2D X-ray images. The correct imaging geometry or image positional relationship of the X-ray tube and X-ray detector relative to the object is important for the reconstruction method. Usually, a calibration phantom is used to define this image positional relationship. Such calibration measurements are performed when the X-ray device is still in the factory and periodically after the first operation of the X-ray device.
この方法の欠点は、例えば、X線装置の機構による摩耗の結果として、またはX線装置の駆動において摩擦力を変化させることによって、較正中に画定された元の位置関係が変化し得ることである。位置関係が変化する結果として、対象に相対するX線エミッタおよびX線検出器の実際の位置関係が、較正測定に由来する所定の位置関係に合致しなくなる。そのため、再構成プロセスが歪み、細部、縞および/または影のぼやけなどのアーチファクトが、再構成した三次元X線画像に発生し得る。また、患者が撮像中に動く場合にも、動きのアーチファクトが発生し得る。 The disadvantage of this method is that the original positional relationship defined during calibration can change, for example, as a result of wear by the mechanism of the X-ray device or by changing the frictional force in driving the X-ray device. is there. As a result of the change in the positional relationship, the actual positional relationship between the X-ray emitter and the X-ray detector relative to the object does not match the predetermined positional relationship derived from the calibration measurement. As a result, artifacts such as distortion, detail, streaks and / or shadow blur can occur in the reconstructed three-dimensional X-ray image. Motion artifacts can also occur when a patient moves during imaging.
不正確な画像位置関係もまた、パノラマ断層画像を生成する装置のX線画像に、または既知の較正された位置関係に依存する、口内のX線画像にさらなる誤差を引き起こす。 Inaccurate image positional relationships also cause additional errors in the X-ray image of the device that generates the panoramic tomographic image, or in the oral X-ray image that depends on the known calibrated positional relationship.
そのため、本発明の目的は、較正ファントムを使用しなくても、対象を誤差なく測定することを保証する、X線装置を較正する方法を提供することである。 Therefore, it is an object of the present invention to provide a method for calibrating an X-ray device that ensures that an object is measured without error without using a calibration phantom.
本発明は、X線源により生み出されるX線が、対象を通って放射され、X線検出器を用いて記録される、X線装置により記録される、撮像される対象の少なくとも一つの二次元X線画像を較正する方法に関する。対象の構造を備える既に存在する三次元モデルを、二次元X線画像と比較し、対象に相対するおよび/または互いに相対する、X線源およびX線検出器の実際の画像位置関係を、二次元X線画像用に対して判定する。 The invention relates to at least one two-dimensional image of an object to be imaged, recorded by an X-ray device, in which X-rays produced by an X-ray source are emitted through the object and recorded using an X-ray detector. The present invention relates to a method for calibrating an X-ray image. An already existing 3D model with the structure of the object is compared with a 2D X-ray image and the actual image positional relationship of the X-ray source and X-ray detector relative to the object and / or relative to each other is The determination is made for a dimensional X-ray image.
二次元X線画像を、例えば、DVTのX線装置を用いて記録し得る。そのため、一軌道の途上で、複数の二次元X線画像を異なる記録角度から生成する。X線源は、概して、対象の周りを180°から360°回転し、X線源が通常、パルスで動くX線の円錐の扇形を生成する。X線は、三次元対象を透過し、各それぞれの記録角度またはそれぞれの記録時点に対して、X線検出器上に二次元X線画像として、弱めたグレースケールのX線画像を作り出す。 A two-dimensional X-ray image can be recorded using, for example, a DVT X-ray device. Therefore, a plurality of two-dimensional X-ray images are generated from different recording angles in the course of one orbit. The x-ray source generally rotates 180 ° to 360 ° around the object, producing an x-ray cone fan that is typically pulsed. The X-rays pass through the three-dimensional object and produce a weakened grayscale X-ray image as a two-dimensional X-ray image on the X-ray detector for each respective recording angle or each recording time point.
既存三次元モデルと二次元X線画像との比較は、例えば、三次元モデルの中の構造の点を、二次元X線画像の中の対応する構造の点に割り当てることによって実施し得る。 A comparison between an existing 3D model and a 2D X-ray image can be performed, for example, by assigning structural points in the 3D model to corresponding structural points in the 2D X-ray image.
対象に相対するまたは互いに相対する、X線源およびX線検出器の判定された実際の画像位置関係を記憶して、後にX線画像の補正、再構成、最適化および/または計算に使用し得る。 Store the determined actual image positional relationship of the X-ray source and X-ray detector relative to the object or relative to each other for later use in X-ray image correction, reconstruction, optimization and / or calculation. obtain.
このように、本較正方法は、一度にまたは定義した間隔で実施して、較正を検証する必要がある。 Thus, the calibration method needs to be performed once or at defined intervals to verify the calibration.
本方法の一つの利点は、対象を測定するために、最初に較正ファントムで較正する必要がないことである。これにより、保守要件が減少する。 One advantage of this method is that it is not necessary to first calibrate with a calibration phantom to measure the object. This reduces maintenance requirements.
本方法の別の利点は、特定の記録角度からの三次元モデルとの比較によって、個々の各二次元X線画像に対して較正を実施することであり、その結果、画像位置関係の変化をもたらす、X線装置の予期せぬ不調は即時に補正される。 Another advantage of the method is that calibration is performed on each individual two-dimensional X-ray image by comparison with a three-dimensional model from a specific recording angle, so that the change in image positional relationship is reduced. The resulting unexpected malfunction of the X-ray device is corrected immediately.
本方法の別の利点は、軌道にある間に動いている患者の三次元X線画像を生成できることである。例えば、頭部が側方に動いた場合、または患者が咀嚼運動をしている場合でさえ、下顎全体を動きアーチファクトなしに、鮮明に撮像構造として再構成し得る。これは、X線源およびX線検出器に相対する、この構造、例えば、下顎の正確な画像位置関係を、個々の二次元X線画像と、仮想二次元投影画像の中の三次元モデルの仮想投影とを比較することによって判定するためである。下顎など、表示される対象の構造に対する較正は、それゆえ、患者の動きにかかわらず、考え得る最善の手法で判定される。 Another advantage of the method is that it can generate a three-dimensional X-ray image of a patient who is moving while in orbit. For example, the entire mandible can be clearly reconstructed as an imaging structure without movement artifacts, even when the head moves sideways or the patient is chewing. This is the exact image position of this structure, eg, the lower jaw, relative to the X-ray source and X-ray detector, and the individual 2D X-ray image and the 3D model in the virtual 2D projection image. This is because the determination is made by comparing the virtual projection. Calibration for the structure of the object to be displayed, such as the lower jaw, is therefore determined in the best possible manner regardless of patient movement.
三次元モデルを二次元X線画像と比較するとき、三次元モデルの少なくとも一部に仮想投影法を適用して、所定の画像位置関係を考慮することによって、仮想二次元投影画像を生成し、二次元X線画像の中の構造を、仮想二次元投影画像の中の構造と比較する。 When comparing a three-dimensional model with a two-dimensional X-ray image, a virtual projection method is applied to at least a part of the three-dimensional model to generate a virtual two-dimensional projection image by considering a predetermined image positional relationship; The structure in the two-dimensional X-ray image is compared with the structure in the virtual two-dimensional projection image.
そのため、仮想投影法では、それぞれの二次元X線画像の撮像幾何を、コンピュータを活用してシミュレーションし、それによって、対応する仮想二次元投影画像を生成する。投影法では、構造の三次元モデルに対する、仮想X線源および仮想X線検出器の画像位置関係を、そのようにシミュレーションして、円錐の扇形の形態であるX線が、三次元モデルを通って放射され、仮想X線検出器上に三次元モデルを表示する手法をシミュレーションする。この結果、同じ画像位置関係で、二次元X線画像の中の構造の画像の形状が、仮想二次元投影画像の中の構造の仮想投影に合致する。 Therefore, in the virtual projection method, the imaging geometry of each two-dimensional X-ray image is simulated using a computer, thereby generating a corresponding virtual two-dimensional projection image. In the projection method, the image positional relationship between the virtual X-ray source and the virtual X-ray detector with respect to the three-dimensional model of the structure is simulated as such, and the X-ray in the form of a cone fan passes through the three-dimensional model. The method of displaying the three-dimensional model on the virtual X-ray detector is simulated. As a result, the shape of the structure image in the two-dimensional X-ray image matches the virtual projection of the structure in the virtual two-dimensional projection image with the same image positional relationship.
代替方法では、二次元X線画像に仮想逆投影法を適用することによって、三次元モデルと二次元X線画像との比較を実施することができ、そのとき、二次元X線画像は三次元空間に表示される。この投影を、続いて既存三次元モデルと比較する。 In an alternative method, a virtual backprojection method can be applied to a two-dimensional X-ray image to perform a comparison between the three-dimensional model and the two-dimensional X-ray image. Displayed in space. This projection is then compared to an existing 3D model.
二次元X線画像の中の構造を、仮想二次元投影画像と比較すると、偏差が特定され、最適化方法の枠組み内で、画像位置関係を徐々に変化させ、偏差が定義した閾値よりも小さくなるまで、各変化後に新しい仮想二次元投影画像を生成する。 Comparing the structure in the two-dimensional X-ray image with the virtual two-dimensional projection image, the deviation is identified, and within the framework of the optimization method, the image positional relationship is gradually changed so that the deviation is smaller than the defined threshold value. Until then, a new virtual two-dimensional projection image is generated after each change.
対象に相対するX線源およびX線検出器の所定の画像位置関係は、較正もしくはその後の較正に基づくことができ、またはモデルに基づいて数学的に判定され得る。それゆえ、所定の画像位置関係は最初の解であり、それに基づき、最適化方法を使用して実際の画像位置関係を判定する。いわゆるカルマンフィルタを最適化方法に使用することができ、それを用いて、最初の解を安定させる。カルマンフィルタを使用して、測定装置によって引き起こされる干渉を除去する。 The predetermined image positional relationship of the x-ray source and x-ray detector relative to the object can be based on calibration or subsequent calibration, or can be determined mathematically based on a model. Therefore, the predetermined image positional relationship is an initial solution, and based on this, the actual image positional relationship is determined using an optimization method. A so-called Kalman filter can be used in the optimization method, which is used to stabilize the initial solution. A Kalman filter is used to eliminate interference caused by the measuring device.
閾値は、この閾値に達しないとき、二次元X線画像の中の構造が、できるかぎり仮想二次元投影画像に相当するように定義され、その結果、最適化方法終了後に判定される画像位置関係は、表示される対象の構造に対する、それぞれの二次元X線画像の実際の画像位置関係に相当する、または少なくとも類似する。 When the threshold value is not reached, the structure in the two-dimensional X-ray image is defined so as to correspond to the virtual two-dimensional projection image as much as possible, and as a result, the image positional relationship determined after the optimization method is finished. Corresponds to or at least similar to the actual image positional relationship of the respective two-dimensional X-ray image with respect to the structure of the object to be displayed.
比較は比較演算子を活用して実施し得る。そのとき、比較演算子を最適化方法で最適化する。最適化方法は、例えば、所定の閾値に達した後に完了し得る。最適化の品質精度である閾値は、例えば、それぞれのX線装置の較正精度である10%であり得る。 The comparison can be performed using a comparison operator. At that time, the comparison operator is optimized by an optimization method. The optimization method may be completed after reaching a predetermined threshold, for example. The threshold that is the quality accuracy of the optimization may be, for example, 10% that is the calibration accuracy of each X-ray apparatus.
最適化方法は、比較演算子を直接最適化するか、または仮想二次元投影画像と二次元X線画像の中の構造との偏差を最適化するかのいずれかであり得る。 The optimization method can either optimize the comparison operator directly or optimize the deviation between the virtual 2D projection image and the structure in the 2D X-ray image.
対象の周りをX線源およびX線検出器が動いている間に、二次元X線画像を、有利に、異なる記録角度から一つずつ記録し、再構成法を使用し、二次元X線画像の判定された実際の画像位置関係を把握することによって、対象の三次元X線画像、または対象のパノラマ断層画像を、記録した二次元X線画像から生成する。 While the X-ray source and X-ray detector are moving around the object, two-dimensional X-ray images are advantageously recorded one by one from different recording angles, using a reconstruction method, By grasping the determined actual image positional relationship of the image, the target three-dimensional X-ray image or the target panoramic tomographic image is generated from the recorded two-dimensional X-ray image.
対象を中心とするX線源およびX線検出器の運動は、対象を取り巻く一部軌道の形態である円形回転であることができ、または対象に相対するX線源およびX線検出器の配向および位置を変えることによって、異なる運動でもあり得る。 The motion of the x-ray source and x-ray detector about the object can be a circular rotation in the form of a partial trajectory surrounding the object, or the orientation of the x-ray source and x-ray detector relative to the object. And by changing the position, it can be a different movement.
結果的に、本方法は、DVTのX線装置またはCTのX線装置の較正に使用し得る。各個々の二次元X線画像に対して、そのように画像位置関係の較正を検証し補正する。そのため、これにより、動的な検証が可能になり、その結果、装置の突然の機械的障害さえも考慮される。再構成法では、二次元X線画像の中のグレースケール画像は、対象を通り、測定されたX線経路に沿った吸収の合計に相当する。そのとき、X線経路は小さいボクセルに分解される。逆投影では、測定された各X線経路に沿って測定された値を、該経路に沿って置くボクセルに、それぞれできるだけ上手く分配する。二次元X線画像には、これを様々な記録角度から行い、そのため、表示される対象の三次元X線画像の優れた予測が、結果として得られる。 As a result, the method can be used to calibrate a DVT X-ray device or a CT X-ray device. For each individual two-dimensional X-ray image, the calibration of the image positional relationship is verified and corrected as such. Thus, this allows dynamic verification, so that even a sudden mechanical failure of the device is taken into account. In the reconstruction method, the grayscale image in the two-dimensional X-ray image corresponds to the total absorption along the measured X-ray path through the object. At that time, the X-ray path is broken down into small voxels. In backprojection, the measured values along each measured X-ray path are distributed as well as possible to the voxels placed along the path. For 2D X-ray images, this is done from various recording angles, so that an excellent prediction of the 3D X-ray image to be displayed is obtained as a result.
パノラマ断層画像の再構成のために、コンピュータを使用して、パノラマ断層画像を、異なる記録方向から取られた二次元X線画像より計算する。 For reconstruction of the panoramic tomographic image, a computer is used to calculate the panoramic tomographic image from two-dimensional X-ray images taken from different recording directions.
それゆえ、最初の解は、対象を中心としたX線源およびX線検出器の計画経路であり、例えば、工場での計算から取られたものであり得る。個々の記録角度に対して、対象に相対するX線源およびX線検出器の個々の位置を接続するこの経路は、その後、最適化され、または実際の経路を判定するまで、徐々に最適化方法の途上でより正確に画定される。それから、実際の経路を再構成に使用し、その結果、誤差のない三次元X線画像またはパノラマ断層画像を再構成する。 Therefore, the initial solution is a planned path of the X-ray source and X-ray detector centered on the object, and may have been taken from, for example, factory calculations. For each recording angle, this path connecting the individual positions of the X-ray source and X-ray detector relative to the object is then optimized or gradually optimized until an actual path is determined. More accurately defined in the course of the method. The actual path is then used for reconstruction, and as a result, an error-free 3D X-ray image or panoramic tomographic image is reconstructed.
対象の構造は、有利に、上顎、下顎、歯の一群、歯科補綴部、充填物、インレー、対象全体、対象の一部、患者の頭部、および/または個々の歯であり得る。 The structure of the object may advantageously be the upper jaw, the lower jaw, a group of teeth, a dental prosthesis, a filling, an inlay, the entire object, a part of the object, the patient's head, and / or individual teeth.
そのため、対象はまた、複数の歯および歯科補綴部から成る顎の一部でもあり得る。 Thus, the subject can also be a part of the jaw consisting of a plurality of teeth and a dental prosthesis.
構造の既存三次元モデルは、光学的三次元表面測定法を用いて有利に記録することができ、三次元モデルは構造の一表面のみを含む。比較する間に、二次元X線画像の中の構造の表面端部を、そのとき、仮想二次元投影画像の中の構造の表面端部と比較する。 Existing three-dimensional models of structures can be advantageously recorded using optical three-dimensional surface measurement methods, which include only one surface of the structure. During the comparison, the surface edge of the structure in the two-dimensional X-ray image is then compared with the surface edge of the structure in the virtual two-dimensional projection image.
構造の既存三次元モデルは、構造の全体表面、またはさらに構造の表面の一部のみを備え得る。三次元表面スキャナを活用して測定する場合、例えば、歯の可視表面のみを測定し得る。表面測定方法は、例えば、縞投影方法、共焦点測定法またはレーザー走査法であり得る。二次元X線画像の中の構造の表面端部と比較し得る、構造の表面端部が、それゆえ、三次元モデルの仮想投影の中に出現する。歯の端部、すなわち、例えば、二次元X線画像の中にはっきり見える歯のくぼみさえも、比較に使用し得る。 An existing three-dimensional model of the structure may comprise the entire surface of the structure, or even only a portion of the surface of the structure. When measuring using a three-dimensional surface scanner, for example, only the visible surface of a tooth can be measured. The surface measurement method can be, for example, a fringe projection method, a confocal measurement method, or a laser scanning method. The surface edge of the structure, which can be compared with the surface edge of the structure in the two-dimensional X-ray image, therefore appears in the virtual projection of the three-dimensional model. The tooth edges, i.e. even the tooth depressions clearly visible in the two-dimensional X-ray image, for example, can be used for comparison.
既存三次元モデルもまた、構造の表面または特徴的な点を示す点群を描写のみし得る。 Existing 3D models may also only depict points that represent the surface or characteristic points of the structure.
構造の既存三次元モデルを、光学的三次元表面測定法を活用して、構造の印象を記録することによって有利に生成し、三次元モデルは、構造の一表面のみを含み、比較の間、二次元X線画像の中の構造の表面端部を、仮想二次元投影画像の中の構造の表面端部と比較する。 An existing 3D model of the structure is advantageously generated by recording the impression of the structure, utilizing optical 3D surface measurements, the 3D model includes only one surface of the structure, The surface edge of the structure in the two-dimensional X-ray image is compared with the surface edge of the structure in the virtual two-dimensional projection image.
結果的に、構造の一つの印象のみを測定し、その結果、該構造の表面をそこから判定する。例えば、1本以上の歯の印象を測定し得る。 As a result, only one impression of the structure is measured, so that the surface of the structure is determined therefrom. For example, the impression of one or more teeth can be measured.
構造の既存三次元モデルは、三次元ボリューム測定法を用いて、特に、MRI法、CT法またはDVT法を用いて有利に記録することができ、構造のボリュームデータを包含し、比較中、二次元X線画像の中の構造を、仮想二次元投影画像の中の構造をシミュレーションした投影と比較する。 Existing 3D models of structures can be advantageously recorded using 3D volumetric measurements, in particular using MRI, CT or DVT methods, including volume data of structures, The structure in the dimensional X-ray image is compared with a projection that simulates the structure in the virtual two-dimensional projection image.
そのため、三次元モデルもまた、構造の内部組成に関する情報を伴うボリュームデータを備え得る。構造内の部分構造、例えば、歯と周囲の歯肉との間の分離表面、または歯根もしくは顎骨の形状もまた、比較に使用し得る。 As such, the three-dimensional model may also comprise volume data with information regarding the internal composition of the structure. Substructures within the structure, such as the separation surface between the tooth and the surrounding gingiva, or the shape of the root or jawbone may also be used for comparison.
磁気共鳴画像法(MRI)は、物理的に核磁気共鳴の原理に基づき、歯と周囲の歯肉との間など、軟組織と硬組織との間の分離表面を、三次元X線画像よりもはっきりと表示する。 Magnetic Resonance Imaging (MRI) is based on the principle of nuclear magnetic resonance physically, and the separation surface between soft tissue and hard tissue, such as between teeth and surrounding gingiva, is clearer than three-dimensional X-ray images. Is displayed.
コンピュータ断層撮影法(CT)は、異なる記録角度による対象の個々の二次元X線画像からの、三次元X線画像の再構成に基づき、多列検出器をX線検出器として使用する。 Computed tomography (CT) uses a multi-row detector as an X-ray detector based on the reconstruction of a three-dimensional X-ray image from individual two-dimensional X-ray images of an object at different recording angles.
デジタルボリューム断層撮影(DVT)では、三次元X線画像は、同様に、異なる記録角度による個々の二次元X線画像から再構成され、平面検出器をX線検出器として使用する。 In digital volume tomography (DVT), a three-dimensional X-ray image is similarly reconstructed from individual two-dimensional X-ray images with different recording angles, and a planar detector is used as the X-ray detector.
有利なことに、投影方法では、対象に相対するX線源およびX線検出器の画像位置関係だけでなく、撮像される構造の厚さ、ならびに、したがって構造によるX線減弱および/または構造の材料をも、仮想投影法に対して考慮する。そのため、構造に依存するX線減弱も考慮される。すなわち、仮想投影画像および二次元X線画像の比較は、構造の端部に制限されるだけでなく、さらなる画像内容をも含む。 Advantageously, in the projection method, not only the image positional relationship of the X-ray source and the X-ray detector relative to the object, but also the thickness of the structure to be imaged, and thus the X-ray attenuation and / or structure of the structure. Material is also considered for virtual projection. Therefore, X-ray attenuation depending on the structure is also considered. That is, the comparison of the virtual projection image and the two-dimensional X-ray image is not limited to the edge of the structure but also includes additional image content.
そのため、構造の厚さおよび材料を考慮することによって、仮想二次元投影画像の中での投影シミュレーションの改良が可能になる。光学表面スキャナを用いて構造を測定する間に、例えば、構造が生来の歯、またはセラミック、金もしくはプラスチックから成る歯科補綴部のどちらであるかを判定できる。金、プラスチックまたはセラミックに対するX線減弱のそれぞれの要因を、それによって考慮する。 Therefore, it is possible to improve the projection simulation in the virtual two-dimensional projection image by considering the thickness of the structure and the material. While measuring a structure using an optical surface scanner, it can be determined, for example, whether the structure is a natural tooth or a dental prosthesis made of ceramic, gold or plastic. The respective factors of X-ray attenuation for gold, plastic or ceramic are thereby taken into account.
最適化方法を実行するとき、既知の工場較正による所定の画像位置関係を、最初の解として有利に使用し得る。 When performing the optimization method, a predetermined image positional relationship with known factory calibration may be advantageously used as an initial solution.
結果的に、実際の画像位置関係に既に非常に近い最初の解が使用される。 As a result, the first solution that is already very close to the actual image positional relationship is used.
結果として、最適化方法に必要な時間および演算の試みが減少する。 As a result, the time and computational attempts required for the optimization method are reduced.
二次元X線画像を仮想二次元投影画像と比較するとき、有利なことに、偏差の判定のために類似度が計算され、傾斜差分法、直接差分法、相関法、第1順位および/もしくはより高い順位の相互相関法、統計的方法、または最小二乗誤差の方法を使用する。 When comparing a two-dimensional X-ray image with a virtual two-dimensional projection image, the similarity is advantageously calculated for the determination of the deviation, the gradient difference method, the direct difference method, the correlation method, the first rank and / or Use higher rank cross-correlation, statistical, or least square error methods.
言及した方法を使用する場合、例えば、歯の端部など、二次元X線画像および仮想二次元投影画像の中で合致するパターンを互いに比較して、実際の画像位置関係を判定する。これらのパターンの類似が増加するにつれ、類似度が高まる。二次元X線画像の中およびシミュレーションした二次元投影画像の中の画像位置関係が合致するとき、パターンは互いに合致しなくてはならず、または互いに少なくとも一部似ていなくてはならない。そのため、この場合、類似度は最大となり、その結果、最適化方法が完了し得る。 When using the mentioned method, for example, matching patterns in the two-dimensional X-ray image and the virtual two-dimensional projection image, such as the end of a tooth, are compared with each other to determine the actual image positional relationship. As the similarity of these patterns increases, the similarity increases. When the image positional relationships in the two-dimensional X-ray image and in the simulated two-dimensional projection image match, the patterns must match each other or at least partially resemble each other. Therefore, in this case, the degree of similarity is maximized, and as a result, the optimization method can be completed.
統計的方法は、例えば、いわゆる相互情報量法であり得る。 The statistical method can be, for example, a so-called mutual information method.
最適化方法を使用することによって、最適、また最適による実画像の関係を判定するまで、類似度は有利に増加することができ、偏差は減少し得る。 By using the optimization method, the similarity can be advantageously increased and the deviation can be decreased until the optimum and the relationship of the real image due to the optimization is determined.
結果として、最適化方法を使用するとき、画像関係の解は最適解に近づく。 As a result, when using the optimization method, the image-related solution approaches the optimal solution.
最適化方法の途上での画像位置関係の変化は、変換行列を用いて有利に記述し得る。 Changes in the image positional relationship during the optimization method can be advantageously described using a transformation matrix.
変換行列を使用することによって、三次元モデルは、それゆえ仮想的に、X線源およびX線検出器に対して徐々にずれ、または回転し得る。 By using the transformation matrix, the 3D model can therefore be virtually shifted or rotated relative to the X-ray source and X-ray detector virtually.
本方法により、対象の第1構造に対する、二次元X線画像の第1の実際の画像位置関係を判定する第1ステップにおいて、この第1構造を有利に選択することができ、本方法により、対象の第2構造に対する、二次元X線画像の第2の実際の画像位置関係を判定する第2ステップにおいて、この第2構造を選択する。 With this method, this first structure can be advantageously selected in a first step of determining the first actual image positional relationship of the two-dimensional X-ray image with respect to the first structure of interest, In a second step of determining a second actual image positional relationship of the two-dimensional X-ray image with respect to the target second structure, the second structure is selected.
それゆえ、それぞれ選択した構造に対する、対応する実際の画像位置関係が判定される。 Therefore, the corresponding actual image positional relationship for each selected structure is determined.
第1三次元X線画像を、第1の実際の画像位置関係を使用して有利に再構成することができ、第2三次元X線画像を、第2の実際の画像位置関係を使用して再構成することができ、続いて、第1構造を鮮明に表示する、第1三次元X線画像の中の第1領域を、第2構造を鮮明に表示する、第2三次元X線画像の中の第2領域と統合して、対象の一つの全体三次元X線画像にする。 The first three-dimensional X-ray image can be advantageously reconstructed using the first actual image positional relationship, and the second three-dimensional X-ray image can be reconstructed using the second actual image positional relationship. The first region in the first three-dimensional X-ray image that clearly displays the first structure, and the second three-dimensional X-ray that clearly displays the second structure. It is integrated with the second region in the image to form one entire three-dimensional X-ray image of the object.
そのため、結果として、少なくとも選択した構造が、この構造の対応する三次元X線画像の中に鮮明に表示される。 Therefore, as a result, at least the selected structure is clearly displayed in the corresponding three-dimensional X-ray image of this structure.
有利なことに、第1構造は、下顎または下顎の一部であることができ、第2構造は、上顎または上顎の一部であり得る。 Advantageously, the first structure can be the lower jaw or a part of the lower jaw and the second structure can be the upper jaw or a part of the upper jaw.
それゆえ、第1三次元X線画像を、選択した構造として下顎と共に生成し、その結果、記録中に下顎が動いた場合でも、下顎を鮮明に表示する一方で、患者の上顎および頭部の残りがぼやける。したがって、第2三次元X線画像では、患者の上顎および頭部の残りを鮮明に表示する一方で、下顎がぼやける。その後、二つの三次元X線画像の鮮明領域を、下顎および上顎の両方を鮮明に示す、一つの全体三次元X線画像に統合し得る。 Therefore, a first three-dimensional X-ray image is generated with the lower jaw as the selected structure, so that even if the lower jaw moves during recording, the lower jaw is clearly displayed while the upper jaw and head of the patient are displayed. The rest is blurred. Therefore, in the second 3D X-ray image, the upper jaw and the rest of the head of the patient are clearly displayed, while the lower jaw is blurred. The sharp regions of the two three-dimensional X-ray images can then be merged into one overall three-dimensional X-ray image that clearly shows both the lower and upper jaws.
本発明を図表の参照により説明する。図面は以下を示す。
図1は、患者の頭部など、撮像される対象2の二次元X線画像の測定のために、X線装置1を較正する本方法を説明する見取り図を示す。X線源4により生み出される円錐形状の扇形形態であるX線3が、対象2を通って放射され、平面検出器など、X線検出器5を用いて記録されるという点で、各二次元X線画像を記録する。対象2は、破線で示されている、下顎などの撮像される構造6を包含する。三次元モデル7は、撮像される構造6、すなわち、光学的三次元表面測定法を用いて記録された、下顎に対して既に存在する。本ケースでは、既存三次元モデル7は、下顎6の右側に4本の臼歯8のみを含む。例えば、三次元モデルを、縞投影方法または共焦点測定方法に基づき、三次元歯科用小型カメラを用いて記録し得る。三次元モデルはまた、最初に歯8の印象を採得し、その後歯科用小型カメラを活用して、この印象を測定することによって生成し得る。それゆえ、三次元モデル7は、臼歯8の可視表面のみを含む。三次元X線画像9の測定中、X線源4およびX線検出器5は、測定ボリューム内において回転点10の周りを徐々に回転し、対象2、およびしたがって構造6の個々の二次元X線画像を、矢印で示す異なる記録角度11から記録し、対象の三次元X線画像9を、再構成法を使用することによって、異なる記録角度11から記録した二次元X線画像より生成する。撮像される構造6のサブエリア12、すなわち、下顎を、三次元X線画像9の中に破線で示す。X線源4の所定の画像位置関係13を実線で示す。その真向かいに、X線検出器5の所定の画像位置関係14を、同様に実線で示す。それぞれの記録角度16に対するX線源4の実際の画像位置関係15を、そこにまでずらして破線で示す。同様にずれたX線検出器5の実際の画像位置関係17も、破線で示す。したがって、コーンビームの円錐の形態であるX線18は同様にずれて、所定の記録角度16から顕著に逸脱する、実際の記録角度19から対象2を記録する。この偏差は、例えば、整合から得られる機構または駆動により、およびX線装置1の駆動において増大する摩擦力によって引き起こされ得る。それゆえ、本方法は、矢印20により示される、このずれを補う働きをする。また、所定の画像位置関係13、14と、実際の画像位置関係15、17との間のこのずれは、回転点10に対して半径方向にも起こり得る。全記録角度11に対する、X線源4の個々の画像位置関係13およびX線検出器5の所定の画像位置関係14は、その後、実線により示される軌道経路21を形成する。各個々の記録角度11に対して最適化方法を実行した後、破線で示される実際の軌道経路22を形成する、X線源4の実際の画像位置関係15、およびX線検出器5の実際の画像位置関係17を判定する。所定の軌道経路21と実際の軌道経路22との偏差は、駆動機構の障害だけでなく、軌道の移動中、患者の動きによっても引き起こされ得る。それゆえ、工場較正により事前に定義され得る、所定の軌道経路21を使用する元の再構成では、例えば、干渉アーチファクトを包含するため、撮像される構造6のぼやけた画像を特に表示する、ぼやけた三次元X線画像を再構成する。判定した実際の軌道経路22を使用する再構成では、はっきりと鮮明に、細部および撮像される構造6、例えば、下顎を特に表示する、三次元X線画像9を生成する。三次元X線画像9および三次元モデル7は、モニタなどの表示装置23を用いて表示される。個々の二次元X線画像など、X線検出器5の画像データを、ケーブルまたは無線でコンピュータ24に送信する。再構成法および最適化方法もまた、コンピュータ24を用いて行われる。ユーザがカーソル27を活用して操作することが可能になるように、コンピュータ24を、キーボード25およびマウス26などの入力手段に接続する。
FIG. 1 shows a sketch illustrating the method for calibrating the X-ray device 1 for the measurement of a two-dimensional X-ray image of an
図2は、最適化方法を説明する見取り図を示す。図1からの三次元モデル7に投影方法を適用し、記録角度16に関して、X線源4の所定の画像位置関係13およびX線検出器5の所定の画像位置関係14を考慮することによって、仮想二次元投影画像30を生成する。それゆえ、三次元モデル7を仮想X線源で照射して、X線吸収をシミュレーションした後、仮想X線検出器上に二次元投影画像30を表示することによって、仮想三次元モデル7のX線照射を仮想的にシミュレーションする。実際の記録角度19からの実際の二次元X線画像31を、比較のために表示する。この場合、臼歯8を伴うサブエリア12のみが表示される。三次元モデル7、およびしたがって臼歯8の二次元投影画像30が、その形態において、関連する二次元X線画像31から顕著に逸脱していることがはっきりと見て取れる。これは、所定の記録角度16と実際の記録角度19とのずれ20によって引き起こされる。特に、歯の端部32は、二次元投影画像30および二次元X線画像31の両方で見ることができるため、比較方法に使用し得る。歯の咬頭33および歯のくぼみ34などの特徴的構造も、比較方法に使用し得る。比較方法に対して、二つの構造間における信頼性の高い類似の尺度である、類似度を判定する。図1のコンピュータ24を活用して、自動的に比較方法を行い得る。
FIG. 2 shows a sketch illustrating the optimization method. By applying the projection method to the three-dimensional model 7 from FIG. 1 and considering the predetermined image
図3は、最適化方法を説明する見取り図を示し、図2と比較すると、図1からの仮想X線源の実際の位置関係15および仮想X線検出器の実際の画像位置関係17を活用して、投影方法を使用することによって、実際の二次元投影画像40を生成する。二次元X線画像31と比較すると、歯8の歯の端部32、歯の咬頭33および歯のくぼみ34の形状が合致することが、ここで明らかとなる。仮想投影画像は、幾何学的画像位置関係のいずれの偏差に基づいて計算されたものであり、それゆえ、そのいずれの偏差も、仮想製作画像および二次元X線画像の中の構造間において、より低い類似度を呈する結果を導く。それゆえ、類似度はその最大に達し、その結果、最適化方法を完了することができ、X線源およびX線検出器の実際の画像位置関係を判定する。最適化方法は、図2の最初の解から図3の最終解へ段階的に進む。所定の画像位置関係13と実際の画像位置関係15との間の変化20は、例えば、変換行列を用いて記述され得る。
符号の説明
1 X線装置
2 撮像される対象
3 X線
4 X線源
5 X線検出器
6 撮像される構造
6 下顎
7 三次元モデル
8 臼歯
9 三次元X線画像
10 回転点
11 記録角度
12 サブエリア
13 所定の画像位置関係
14 所定の画像位置関係
15 実際の画像位置関係
16 記録角度
17 実際の画像位置関係
18 X線
19 実際の記録角度
20 矢印
20 ずれ
21 所定の軌道経路
22 実際の軌道経路
23 表示装置
24 コンピュータ
25 キーボード
26 マウス
27 カーソル
30 仮想二次元投影画像
31 実際の二次元X線画像
32 歯の端部
33 歯の咬頭
34 歯のくぼみ
40 判定した仮想二次元投影画像
FIG. 3 shows a sketch for explaining the optimization method. Compared with FIG. 2, the actual
Explanation of symbols
1 X-ray equipment
2 Object to be imaged
3 X-ray
4 X-ray source
5 X-ray detector
6 Structure to be imaged
6 lower jaw
7 Three-dimensional model
8 molars
9 Three-dimensional X-ray image
10 Rotation point
11 Recording angle
12 sub-areas
13 Predetermined image position relationship
14 Predetermined image position relationship
15 Actual image position
16 Recording angle
17 Actual image location
18 X-ray
19 Actual recording angle
20 arrows
20 deviations
21 Predetermined orbital path
22 Actual trajectory path
23 Display device
24 computers
25 keyboard
26 mouse
27 Cursor
30 Virtual 2D projection images
31 Actual two-dimensional X-ray image
32 Teeth end
33 Teeth
34 Tooth depression
40 Determined virtual 2D projection image
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